(用拉格朗日乘数法求解)求周长为2p,且对角线最短的矩形的面积.
题目解答
答案
解析
本题考查拉格朗日乘数法在求条件极值问题中的应用。解题思路是先根据题目条件建立目标函数和约束条件,然后构造拉格朗日函数,通过求拉格朗日函数的偏导数并令其为零,得到方程组,解方程组求出可能的极值点,最后根据实际问题判断该点是否为最值点并求出相应的值。
设矩形长为 $y$,宽为 $x$,已知周长为 $2p$,根据矩形周长公式可得约束条件 $2(x + y) = 2p$,即 $x + y = p$。
矩形的对角线长度 $d = \sqrt{x^2 + y^2}$,我们的目标是求对角线最短时矩形的面积,也就是要最小化 $d$。为了方便计算,由于 $d$ 与 $\sqrt{x^2 + y^2}$ 同时取最值,所以我们可以转化为最小化 $f(x,y)=\sqrt{x^2 + y^2}$。
构造拉格朗日函数 $L(x, y, \lambda) = \sqrt{x^2 + y^2} + \lambda(p - x - y)$。
接下来求拉格朗日函数的偏导数:
- 对 $x$ 求偏导数:
根据求导公式 $(\sqrt{u})^\prime=\frac{u^\prime}{2\sqrt{u}}$,对于 $L(x, y, \lambda)$ 中 $\sqrt{x^2 + y^2}$ 关于 $x$ 求导,令 $u = x^2 + y^2$,则 $u^\prime = 2x$,所以 $\frac{\partial}{\partial x}\sqrt{x^2 + y^2}=\frac{2x}{2\sqrt{x^2 + y^2}}=\frac{x}{\sqrt{x^2 + y^2}}$,$\frac{\partial}{\partial x}\lambda(p - x - y)=-\lambda$,则 $\frac{\partial L}{\partial x} = \frac{x}{\sqrt{x^2 + y^2}} - \lambda$。
令 $\frac{\partial L}{\partial x} = 0$,即 $\frac{x}{\sqrt{x^2 + y^2}} - \lambda = 0$。 - 对 $y$ 求偏导数:
同理,$\frac{\partial}{\partial y}\sqrt{x^2 + y^2}=\frac{2y}{2\sqrt{x^2 + y^2}}=\frac{y}{\sqrt{x^2 + y^2}}$,$\frac{\partial}{\partial y}\lambda(p - x - y)=-\lambda$,则 $\frac{\partial L}{\partial y} = \frac{y}{\sqrt{x^2 + y^2}} - \lambda$。
令 $\frac{\partial L}{\partial y} = 0$,即 $\frac{y}{\sqrt{x^2 + y^2}} - \lambda = 0$。 - 对 $\lambda$ 求偏导数:
$\frac{\partial L}{\partial \lambda} = p - x - y$,令 $\frac{\partial L}{\partial \lambda} = 0$,即 $p - x - y = 0$。
得到方程组 $\begin{cases} \frac{\partial L}{\partial x} = \frac{x}{\sqrt{x^2 + y^2}} - \lambda = 0 \\ \frac{\partial L}{\partial y} = \frac{y}{\sqrt{x^2 + y^2}} - \lambda = 0 \\ \frac{\partial L}{\partial \lambda} = p - x - y = 0 \end{cases}$。
由前两个方程 $\frac{x}{\sqrt{x^2 + y^2}} - \lambda = 0$ 和 $\frac{y}{\sqrt{x^2 + y^2}} - \lambda = 0$ 可得 $\frac{x}{\sqrt{x^2 + y^2}} = \frac{y}{\sqrt{x^2 + y^2}}$,因为分母 $\sqrt{x^2 + y^2}\neq0$,所以 $x = y$。
将 $x = y$ 代入约束条件 $x + y = p$,可得 $x + x = p$,即 $2x = p$,解得 $x = \frac{p}{2}$,那么 $y = \frac{p}{2}$。
此时矩形面积为 $S = xy = \frac{p}{2} \times \frac{p}{2} = \frac{p^2}{4}$。